骶前蝶形接骨板的設計研制與生物力學研究及有限元分析和臨床對比研究.pdf

1、骶髂復合體由骶髂關節(jié)及周圍韌帶組成，形成吊橋結構穩(wěn)定骨盆環(huán)，是骨盆的主要穩(wěn)定結構，承載主要的應力負荷。但六分之一的骨盆骨折累及骶髂關節(jié)復合體，不同程度地損傷骶髂關節(jié)及周圍韌帶，進一步造成骨盆環(huán)的不穩(wěn)定。因此，重建骶髂關節(jié)復合體的穩(wěn)定性對于治療骨盆骨折非常重要。
　　Avila1941年首先提出前路手術入路以來，前路切開復位內固定術在骶髂關節(jié)損傷治療中應用越來越廣泛，尤其是在陳舊性骨盆骨折，前路手術已成為骶髂關節(jié)損傷的主要方法。目前

2、，前路手術主要采取的內固定方式是重建鋼板跨骶髂關節(jié)固定，采用兩塊三或四孔的重建板，跨骶髂關節(jié)成角固定。生物力學研究表明，傳統(tǒng)重建板固定骶髂關節(jié)損傷穩(wěn)定性良好。
　　但傳統(tǒng)骶髂關節(jié)重建板也存在一些缺點。比如:經(jīng)前路手術創(chuàng)傷大，出血較多，且有較高的腰骶干及股外側皮神經(jīng)損傷風險。傳統(tǒng)骶髂重建板最初采用兩塊鋼板平行放置，因四邊形的不穩(wěn)定性，導致其生物力學不穩(wěn)定，不能牢靠固定骶髂關節(jié)脫位。研究表明，兩枚重建板成60度夾角時具有良好的生物力學

3、穩(wěn)定性。但因前路手術視野小，操作空間狹窄，難以確定夾角為60度。骶骨側因安全范圍小，容易發(fā)生腰骶干損傷或重建板放置位置錯誤。
　　為了解決傳統(tǒng)重建板的上述缺點，我們設計了一種新型骶髂關節(jié)內固定器械:骶前蝶形接骨板(SAPP)。它適合于前路手術治療骶髂關節(jié)損傷。為明確骶前蝶形接骨板的最佳設計、生物力學穩(wěn)定性及臨床應用可靠性，我們分別進行了骶髂關節(jié)解剖學研究，有限元分析及生物力學研究和臨床隨機對照研究。
　　第一部分:骶前蝶形接

4、骨板的設計與依據(jù)
　　1，設計依據(jù)
　　1.1.螺釘安全區(qū)域。
　　骶骨翼高44.1±2.0mm，寬22.3±1.8mm，長49.4±1.4mm。耳狀面為倒“L”形，上寬下窄，其短軸對骶骨翼平臺，寬29.8±3.2mm;長軸對骶骨腹側緣，長54.1±4.9mm。雖然骶骨翼平臺的寬度為44mm，但其關節(jié)面寬度約為30mm。骶骨翼平臺前四分之三為螺釘置釘?shù)暮线m區(qū)域。髂骨骨質厚薄不均勻，根據(jù)骨盆地形圖，髂骨厚度＜5mm的區(qū)域

5、為圓形，直徑約5cm，位于骶髂關節(jié)附近。其上下均有厚度大于5mm的脊，兩條脊的夾角約為90度。因此，骶前蝶形接骨板上下兩翼應位于較厚的脊上，上下兩翼部的夾角可設計為90度，長度為25mm。體部長度應為25mm。
　　1.2.神經(jīng)安全區(qū)域。
　　骶骨翼平臺上L4神經(jīng)根前支與骶髂關節(jié)線的距離比L5神經(jīng)根前支、腰骶干近，其距離由背側至腹側為22.2±2.6mm～9.1±1.6mm。最腹側距離L4神經(jīng)根前支最近，小于普通鋼板的寬度，

6、不宜放置內固定。骶前蝶形接骨板的設計寬度為10mm，在骶骨翼平臺上，除最腹側外，L4神經(jīng)根距離骶髂關節(jié)線的距離均大于10mm，可以安全放置骶前蝶形接骨板。
　　2，設計規(guī)格及材料
　　骶前蝶形接骨板(SAPP)的設計為半側蝴蝶形，由上下翼部和體部組成。上下翼部與體部連接，分別成135度夾角，上下翼部夾角為90度。蝴蝶板寬度為10mm，上下翼部與體部的長度均為25mm。六枚釘孔采用滑動加壓設計，均采用3.5mm直徑螺釘。蝴蝶板

7、體部有一個2.0克氏針的臨時固定孔。體部、上下翼部中間部分板兩側有直徑為2.0mm的半圓孔。設計材料為Ti-6Al-4V合金。
　　3，設計可行性驗證
　　采用成人男性骨盆標本4具（8側），全層切開腹壁，切斷髂肌，去除腰大肌，充分顯露骶髂關節(jié)，注意不要損傷神經(jīng)，并確保神經(jīng)在其原始位置。置入骶前蝶形接骨板。在體部內側緣標記A（最前點）、B（中點）及C點（最后點）。測量A、B、C點與L4神經(jīng)根前支、L5神經(jīng)根前支的距離。結果:骶

8、前蝶形接骨板內側緣距離L4神經(jīng)根的距離最近，距離L5神經(jīng)根較遠。其中骶前蝶形接骨板上C點（骶前蝶形接骨板內側緣最腹側點）距離L4神經(jīng)根最近，距離為2.5±1.2mm。放置骶前蝶形接骨板時仍有一定的安全空隙。骶前蝶形接骨板骶骨側的兩枚螺釘深度在6mm左右，髂骨側4枚螺釘深度在3.0mm左右，具有較好的把持力，避免了在髂骨薄弱處置釘，可以提供良好的生物力學穩(wěn)定性。
　　第二部分:骶前蝶形接骨板的有限元分析和生物力學研究
　　第一

9、章:骶前蝶形接骨板的有限元分析
　　方法:
　　通過山東省立醫(yī)院醫(yī)院倫理委員會審查，招募健康成人男性志愿者1名，男性，23歲，身高172cm，體重70Kg。通過三維CT掃描，得到骨盆的三維掃描圖像，導入Mimics軟件制作骨盆的三維模型并網(wǎng)格化。應用Solidworks軟件繪制兩種角度的骶前蝶形接骨板的模型SAPP90、SAPP60，繪制傳統(tǒng)重建板模型（三孔），繪制兩種螺釘:長螺釘50mm，短螺釘30mm，直徑均為3.5mm

10、。將骨盆三維模型及骶前蝶形接骨板、傳統(tǒng)重建板、兩種螺釘模型導入Abaqus軟件中，設置各種材料的屬性、楊氏模量等，設置骨盆韌帶的數(shù)量、位置、剛度等。在雙側髖臼設置邊界條件并在S1上終板施加600N載荷，進行模擬分析，得出各個模型的應力分布、位移分布，比較骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板固定骶髂關節(jié)脫位后的最大位移和旋轉位移。
　　結果:
　　在S1椎體上終板施加600N的應力后，SAPP90模型的最大位移是0.618mm，旋轉位移

11、是0.404度，VonMises應力值是186N。SAPP60模型的最大位移是0.730mm，旋轉位移是0.561度，VonMises應力值為275N。TP90模型的最大位移是0.886mm，旋轉位移是0.769度，VonMises應力值是251N。TP60模型的最大位移是0.778mm，旋轉位移是0.748度，VonMises應力值是523N。TP30模型的最大位移是0.979mm，旋轉位移是0.895度，VonMises應力值是24

12、1N。TP00模型的最大位移是1.101mm，旋轉位移是0.936度，Vonmises應力值是232N。完整骨盆模型的最大位移是0.478mm，旋轉位移是0.298度，Vonmises應力是48.7N。右側骶髂關節(jié)損傷模型的最大位移是1.992mm，旋轉位移是3.146度，Vonmises應力最大值221N，位于左側骶髂關節(jié)線腹側。
　　結論:
　　在所有骶前蝶形接骨板及傳統(tǒng)重建板的測試模型中，骶前蝶形接骨板(SAPP90)

13、的垂直位移及旋轉位移均最小，證明了設計的骶前蝶形接骨板(SAPP90)具有最好的生物力學穩(wěn)定性。SAPP90模型的應力分布，集中在右側骶髂關節(jié)及骶前蝶形接骨板上，以骶前蝶形接骨板下翼部螺釘處最大。在右側骶髂關節(jié)脫位模型中，右側骶髂關節(jié)無穩(wěn)定結構，應力集中到左側骶髂關節(jié)處。骶前蝶形接骨板重建了骨盆后環(huán)的穩(wěn)定性，將應力分布在兩側，而非集中在健側。傳統(tǒng)重建板模型中，TP60的位移及旋轉位移最小，TP00的位移及旋轉位移最大，證明成60度夾角放

14、置的傳統(tǒng)重建板比其他角度的傳統(tǒng)重建板有更好的生物力學穩(wěn)定性，但生物力學穩(wěn)定性小于骶前蝶形接骨板。
　　第二章:骶前蝶形接骨板的生物力學研究
　　方法:
　　利用4具帶有韌帶的骨盆標本（成年男性）和16具成年男性完整骨盆模型（Sawbones1301-1），制作右側骶髂關節(jié)損傷的模型，并將模型連接Instron生物力學測試儀和高精度非接觸式磁柵位移測量系統(tǒng)。分別將自制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型、鈦合金（Ti-6Al-

15、4V合金）制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型安裝在右側骶髂關節(jié)損傷的模型上，以2mm/s的速度在S1上終板施加載荷，最大載荷設定為600N。測量自制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板斷裂時的最大應力和各自的應力-位移曲線。測量Ti合金制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板在600N載荷下的垂直位移和旋轉位移，計算其應力-位移曲線，比較分析骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板的生物力學穩(wěn)定性。
　　結果:
　　在S1上終板施加速度為2mm/s的載荷后，自制

16、骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型均在載荷小于600N時發(fā)生斷裂。其斷裂時的應力值:SAPP90模型為496.7±100.8N;SAPP60模型為398.6±79.9N，TP90模型為291.5±69.0N，TP60模型為294.9±68.1N，TP00模型為231.1±68.1N。各組間差異具有統(tǒng)計學意義(p=0.047)。
　　在載荷為600N時，骶前蝶形接骨板(SAPP90Ti)的垂直位移是0.43±0.12mm，旋轉位移是0.

17、518±0.145度，位移-應力曲線:y=134.32x+45.474，R2=0.61。傳統(tǒng)重建板(TP60Ti)的垂直位移是0.51±0.13mm，旋轉位移是0.742±0.214度，位移-應力曲線:y=105.09x+62.808，R2=0.46。兩組間最大位移和旋轉位移差異有統(tǒng)計學意義(p=0.049，0.032)。
　　結論:
　　自制骶前蝶形接骨板和傳統(tǒng)重建板模型的生物力學比較中，SAPP90能夠承受最大的應力載荷

18、，其位移-應力曲線斜率最大，證實其為最優(yōu)設計方案。TP60在傳統(tǒng)重建板中具有最大應力載荷，為最佳傳統(tǒng)重建板設計。應用鈦合金制作骶前蝶形接骨板(SAPP90)及傳統(tǒng)重建板(TP60)，進行生物力學測試，骶前蝶形接骨板的位移比較傳統(tǒng)重建板更小，證明骶前蝶形接骨板比傳統(tǒng)重建板具有更好的生物力學穩(wěn)定性。
　　第三部分骶前蝶形接骨板的臨床對比研究
　　方法:
　　山東省立醫(yī)院2012年1月至2013年6月治療了29例30側骶髂關

19、節(jié)損傷，對其臨床資料進行了回顧性分析，其中16例16側骶髂關節(jié)損傷行骶前蝶形接骨板內固定，13例14側骶髂關節(jié)損傷行傳統(tǒng)重建板內固定。骶前蝶形接骨板組，男7例，女性9例，平均年齡為39.6±9.1歲，TileB型骨折9例，C型7例;傳統(tǒng)重建板組，男7例，女6例，平均年齡為39.1±13.5歲，TileB型骨折8例，C型5例。兩組間比較均無統(tǒng)計學差異。統(tǒng)計手術時間、出血量、鋼板放置時間等，術后行X線檢查及Matta評分，隨訪時行X線檢查及

20、Majeed功能評分。
　　結果:
　　骶前蝶形接骨板組平均手術時間101.1±31.9min，出血1091.8±302.9ml，骶前蝶形接骨板放置時間6.3±3.1min。傳統(tǒng)重建板組平均手術時間110.8±29.6min，出血1154.1±281.2ml，重建板放置時間14.9±1.6min。術后Matta評分，骶前蝶形接骨板組優(yōu)5例，良8例，傳統(tǒng)重建板組優(yōu)4例，良6例。29例患者隨訪中出現(xiàn)腰骶干損傷1例，股外側皮神經(jīng)損

21、傷7例，術中大出血2例，未出現(xiàn)術后感染。骶前蝶形接骨板組與對照組相比，鋼板放置時間明顯縮短(p=0.001)，TileB型手術出血量明顯減少(p=0.024)，其余差異無統(tǒng)計學意義(p＞0.05)。
　　結論:
　　骶前蝶形接骨板治療骶髂關節(jié)損傷獲得了滿意的復位結果和良好的固定效果，未發(fā)生接骨板斷裂、腰骶干損傷及術后感染等并發(fā)癥。同傳統(tǒng)重建板相比較，骶前蝶形接骨板可以簡化操作、縮短鋼板放置時間、有利于旋轉移位的復位、可以減少